Científicos estadounidenses observan cómo los electrones pasan de un estado sólido a uno líquido en un semiconductor bidimensional

Científicos de Estados Unidos han desarrollado un nuevo método que les permite observar directamente cómo los electrones pasan de un estado sólido a ondas líquidas, un proceso que tiene lugar en el interior de un semiconductor bidimensional ultrafino. La investigación fue realizada en el Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de Estados Unidos. El equipo de investigación empleó un microscopio de efecto túnel para obtener imágenes de los electrones y los defectos en el semiconductor, que estaba fabricado con diseleniuro de molibdeno (MoSe2). Los investigadores descubrieron que la cantidad de defectos puede alterar significativamente el comportamiento de los electrones, un hallazgo que podría aportar nuevas perspectivas para unos dispositivos electrónicos cada vez más miniaturizados.

El científico del Berkeley Lab y profesor de Física en la Universidad de California en Berkeley, Mike Crommie, señaló que el estudio ofrece una comprensión profunda del comportamiento de los electrones en los semiconductores bidimensionales. Y añadió: «Nuestro método abre la puerta al descubrimiento de comportamientos electrónicos nunca antes vistos, que pueden aprovecharse para el desarrollo de nuevas capacidades en los semiconductores».

Una mirada profunda al comportamiento de los electrones

Los dispositivos semiconductores tradicionales, como los transistores, los chips de ordenador y los sensores, suelen fabricarse con materiales basados en silicio. Los átomos de silicio se unen en su interior formando una rígida red cristalina cúbica tipo diamante tridimensional, lo que permite comprimir miles de millones de transistores en un único chip. Sin embargo, en los últimos años los científicos han explorado cada vez más los semiconductores bidimensionales, materiales ultrafinos compuestos por apenas una o unas pocas capas de átomos. Su estructura ultrafina modifica el comportamiento de los electrones y ofrece, potencialmente, nuevas capacidades para el desarrollo de futuros dispositivos semiconductores. El equipo se centra ahora en un estado electrónico conocido como sólido de Wigner, un extraño estado de la materia en el que los electrones libres se congelan formando una rejilla rígida similar a un cristal, en lugar de fluir como un líquido.

En los dispositivos semiconductores convencionales, los electrones se comportan más como partículas individuales que se desplazan por el material, un estado que se denomina líquido de Fermi. Sin embargo, en el sólido de Wigner, la repulsión mutua entre los electrones se vuelve dominante, lo que provoca que estos se separen, queden casi inmóviles y se organicen siguiendo patrones relativamente ordenados.

El reto de observar el sólido de Wigner

Hasta ahora los científicos habían tenido dificultades para observar directamente cómo los defectos afectan a estos electrones fuertemente interactuantes. Ahora, los investigadores han creado un dispositivo específico que coloca el MoSe2 entre una capa de grafito y capas de silicio y nitruro de boro. Diminutos orificios en el grafito permiten que la punta metálica del microscopio explore el semiconductor situado debajo. A continuación, estudiaron muestras con distintos niveles de defectos y ajustaron la densidad electrónica para seguir la transición entre el sólido de Wigner y el estado de líquido de Fermi. Las imágenes revelaron diferencias enormes en el comportamiento de los electrones en función del número de defectos. Cuando había muchos defectos, los electrones quedaban atrapados en un sólido de Wigner sorprendentemente estable, formando patrones irregulares y desordenados; en cambio, con pocos defectos, los electrones adoptaban patrones triangulares más ordenados, similares a un cristal, y resultaba más fácil su transición al estado de líquido de Fermi.

Crommie describió su reacción al ver por primera vez las inesperadas imágenes: «Fue emocionante ver cómo el sólido de Wigner se fundía en ondas líquidas que chocaban contra los defectos». Y añadió: «Podemos ver lo diferentes que son las respuestas de los electrones frente a los defectos». Señaló que algunos defectos se asemejan a grandes socavones, mientras que otros actúan como pequeños badenes. El equipo aún tenía que confirmar que estas estructuras inusuales reflejan un comportamiento electrónico genuino y no son artefactos generados por el microscopio. Para ello, recurrieron a simulaciones de Montecarlo cuántico que calculan cómo deberían responder, según la mecánica cuántica, electrones con fuertes interacciones ante defectos aleatorios.

Los resultados de las simulaciones coincidieron muy bien con las imágenes del microscopio. Crommie considera que, a medida que los componentes electrónicos se hacen más pequeños, controlar la ubicación y el tipo de defectos será cada vez más importante. En el comunicado de prensa resumió: «Esto también nos ayuda a comprender mejor la física del comportamiento que observamos en las imágenes». El estudio ha sido publicado en la revista Nature.

La importancia de los defectos en el comportamiento electrónico

A medida que la tecnología de los semiconductores continúa avanzando, resulta cada vez más importante comprender en profundidad el comportamiento de los electrones. Esta investigación demuestra que los defectos presentes en los semiconductores bidimensionales pueden influir significativamente en el estado de los electrones, modificando así su comportamiento en distintos entornos. Esto reviste gran relevancia para el diseño y la fabricación de futuros componentes electrónicos, ya que controlar el tipo y la ubicación de los defectos se convertirá en un factor clave para mejorar el rendimiento de los dispositivos. El hallazgo de los científicos no solo aporta una nueva perspectiva para entender el comportamiento de los electrones en materiales novedosos, sino que también allana el camino para el desarrollo de nuevas tecnologías de semiconductores.